LUẬN VĂN THIẾT KẾ MÁY RANG CÀ PHÊ NĂNG SUẤT 20KG/MẺ ĐHBK TP HCM
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
|
Đầu đề luận văn: |
||||
|
Thiết kế máy rang cà phê 20 kg/mẻ |
||||
|
|
||||
|
Số liệu: |
||||
|
- |
Năng suất 20kg/mẻ rang |
|||
|
Nhiệm vụ: |
||||
|
- |
Nghiên cứu tổng quan |
|||
|
- |
Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế |
|||
|
- |
Phân tích lựa chọn phương án thiết kế |
|||
|
- |
Tính toán truyền động và các cơ cấu trong máy theo năng suất yêu cầu |
|||
|
- |
Tính toán thiết kế các chi tiết máy và các bộ phận liên quan khác |
|||
|
- |
Thiết kế mạch điện |
|||
|
|
Lập quy trình vận hành và bảo trì máy |
|||
|
- |
Số bản vẽ dự kiến: |
7-8 |
, gồm: 7-8 A0 |
|
|
|
+ |
1 bản vẽ A0, về: |
Sơ đồ nguyên lý của các phương án |
|
|
|
+ |
2 bản vẽ A0, về: |
Sơ đồ động/ nguyên lý của phương án thiết kế |
|
|
|
+ |
1bản vẽ A0, về: |
Kết cấu tổng thể của máy |
|
|
|
+ |
3 bản vẽ A0, về: |
Kết cấu chi tiết các cụm chức năng của máy |
|
|
|
|
1 bản vẽ A0, về: |
Sơ đồ điện, thủy lực, khí nén và điều khiển |
|
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Cà phê là thức uống phổ biến bậc nhất trên thế giới.Đặc biệt đối với nước ta,cà phê lại là một loại thức uống không thể thiếu trước một ngày làm việc,không khó để bắt gặp các quán cà phê ở khắp các nẻ đường. Việt Nam đã và đang là một quốc gia có số lượng nông sản và xuất khẩu cà phê lớn hàng đầu. Tuy cà phê xuất khẩu vẫn chủ yếu ở dạng nguyên liệu thô, các quá trình chế biến cà phê trong nước vẫn đang nhận được sự quan tâm và đầu tư không ngừng của các doanh nghiệp và người sử dụng.
Chế biến cà phê thứ cấp là một chuỗi các hoạt động để chế biến hạt cà phê (hạt cà phê xanh) làm nguyên liệu chính thành cà phê xay (bột cà phê xay) và các sản phẩm phái sinh của nó. Quá trình chế biến này bao gồm một loạt các giai đoạn, bắt đầu từ việc chuẩn bị nguyên liệu thô, tiếp theo là quá trình rang, trộn, nghiền và kết thúc với quá trình phát triển các sản phẩm phái sinh cà phê. Rang là giai đoạn quan trọng nhất trong chế biến cà phê vì quá trình hình thành hương vị xảy ra trong đó. Hương vị cà phê được hình thành thông qua một loạt các thay đổi vật lý và hóa học bên trong hạt cà phê dưới tác dụng của nhiệt độ. Các thông số về cảm quan (hương vị, mùi thơm và màu sắc) làm nền tảng cho chất lượng cà phê và đảm bảo chất lượng đồ uống đều được quyết định dựa vào quá trình rang.
Đứng trước xu hướng và thị hiếu trong nước, hiện nay cà phê rang và xay tại chỗ rất được ưa chuộng, các cửa hàng theo mô hình đó liên tục mọc lên. Dù vậy, thị trường máy rang lại đang chủ yếu tập trung vào cung cấp sản phẩm cho các hoạt động sản xuất công nghiệp số lượng lớn để lộ ra một khoảng trống lớn trên thị trường các máy rang vừa và nhỏ cho hộ gia đình và ngành đồ uống. Các cửa hàng và chuỗi cửa hàng hiện nay vẫn sử dụng các loại máy rang nhỏ, năng suất và chất lượng thấp gây ra các bất tiện về phục vụ và hương vị cho khách hàng.
Nhằm bắt kịp trước những yêu cầu về độ tiện dụng, thẩm mĩ, dễ sử dụng và đặc biệt là đáp ứng những yêu cầu về môi trường trong khu vực thương mại dân sinh, luận văn này ra đời với vai trò là hướng đi cho việc tạo ra một sản phẩm máy rang cà phê cho đối tượng sử dụng là các cửa hàng và cá nhân với tiêu chí chất lượng cao, thân thiện môi trường và tiện lợi cho người sử dụng.
Luận văn gồm có các nội dung như sau:
Chương 1 – Tổng quan: Trình bày sơ lược về cà phê và công nghệ rang cà phê.
Chương 2 – Thiết kế nguyên lý máy: Trình bày nguyên lý các loại máy hiện được sử dụng nhiều trên thị trường và lựa chọn bước đầu một phương án khả dĩ.
Chương 3 – Tính toán thiết kế sơ bộ máy: Tính toán và thiết kế kết cấu của hệ thống cơ khí có trong máy.
Chương 4 – Tính toán thiết kế hệ thống lưu thông xử lý khí thải: Tính toán các thông số và thiết kế hệ thống xử lý khí phát sinh trong quá trình rang sao cho đảm bảo hiệu suất máy và giarm thiểu khí thải ra môi trường.
Chương 5 – Tính toán thiết kế hệ thống nhiệt: Tính toán các thông số và thiết kế kết cấu hệ thống nhiệt.
Chương 6 – Thiết kế hệ thống điện và điều khiển: Thiết kế hệ thống rang tự động đáp ứng nhu cầu về sự tiện dụng và đảm bảo chất lượng của cà phê.
Chương 7 – Bảo trì và vận hành: Đưa ra các thông tin chi tiết về vận hành và bảo dưỡng máy.
Chương 8 – Kết luận
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.. i
TÓM TẮT LUẬN VĂN.. ii
MỤC LỤC.. iv
DANH MỤC HÌNH.. viii
DANH MỤC BẢNG.. xi
CHƯƠNG I TỔNG QUAN.. 1
1.1 Giới thiệu. 1
1.2 Các loại cà phê. 1
1.3 Cấu tạo cà phê. 2
1.4 Quy trình sản xuất cà phê. 3
1.4.1 Hệ thống rang trong quy trình sản xuất cà phê. 4
1.5 Các biến đổi của hạt cà phê trong quá trình rang. 4
1.5.1 Các biến đổi đặc trưng. 4
1.5.2 Các biến đổi chi tiết5
1.6 Các phương pháp rang. 10
1.6.1 Rang bằng chảo. 10
1.6.2 Rang bằng thiết bị lồng cầu. 11
1.7 Các phương pháp rang cà phê bằng máy. 12
1.7.1 Máy rang truyền nhiệt trực tiếp. 12
1.7.2 Máy rang truyền nhiệt kiểu gián tiếp. 14
1.7.3 Máy rang sử dụng nguyên lý tầng sôi15
CHƯƠNG II THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY.. 17
2.1 Nguyên lý một số loại thiết bị phổ biến. 17
2.1.1 Thiết bị rang sử dụng nguyên lý tầng sôi17
2.1.2 Thiết bị rang lồng quay gián đoạn gia nhiệt bằng khí nóng. 17
2.1.3 Thiết bị rang lồng quay gián đoạn gia nhiệt bằng điện trở. 18
2.2 Giới thiệu thống rang cà phê sử dụng nguyên lý thùng rang dùng khí nóng. 19
2.3 Lựa chọn phương án thiết kế. 20
2.3.1 Các yêu cầu để lựa chọn phương án thiết kế. 20
2.3.2 Phương án được lựa chọn và sơ đồ nguyên lý. 21
2.3.3 Sơ đồ động. 22
CHƯƠNG III TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY.. 23
3.1 Tính toán kích thước các bộ phận. 23
3.1.1 Thùng rang. 23
3.1.2 Thùng làm nguội23
3.1.3 Tính toán thiết kế cánh đảo thùng rang. 24
3.1.4 Tính toán thiết kế cánh đảo thùng làm nguội25
3.2 Tính toán công suất động cơ thùng rang. 25
3.2.1 Tính toán thành phần lực cản đặt lên trục thùng rang. 25
3.2.2 Tính toán công suất trên trục thùng rang. 28
3.2.3 Tính toán, lựa chọn công suất động cơ thùng rang. 28
3.3 Tính toán công suất thùng làm nguội29
3.3.1 Tính toán thời gian đảo trộn. 29
3.3.2 Tính toán công suất thùng làm nguội29
3.3.3 Tính toán, lựa chọn động cơ thùng làm nguội30
3.4 Tính toán trục trong cơ cấu đảo trộn trong thùng rang. 30
3.4.1 Lựa chọn vật liệu. 31
3.4.2 Xác định sơ bộ đường kính của trục. 31
3.4.3 Xác định khoảng cách các gối đỡ và điểm đặt lực. 31
3.4.4 Xác định tải trọng tác động lên trục. 31
3.4.5 Tính toán các thành phần lực. 32
3.4.6 Lập biểu đồ momen. 33
3.4.7 Xác định đường kính trục. 34
3.4.8 Kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi35
3.4.9 Kiểm nghiệm về độ bền tĩnh. 36
3.4.10 Tính toán lựa chọn ổ lăn. 37
3.4.11 Lựa chọn sơ bộ ổ lăn. 37
3.4.12 Tải trọng qui ước. 38
3.4.13 Khả năng tải động tính. 39
3.4.14 Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh. 39
3.4.15 Lựa chọn thân ổ. 39
3.4.16 Lựa chọn nối trục. 40
3.5 Tính toán trục bộ phận thùng làm nguội42
3.5.1 Lựa chọn vật liệu. 42
3.5.2 Xác định sơ bộ đường kính trục. 42
3.5.3 Xác định khoảng cách của các gối đỡ và điểm đặt lực. 42
3.5.4 Xác định các tải trọng lên trục. 42
3.5.5 Tính toán các thành phần lực và lập biểu đồ momen. 43
3.5.6 Xác định đường kính trục. 44
3.5.7 Kiểm nghiệm độ bền mỏi44
3.5.8 Kiểm nghiệm về độ bền tĩnh. 46
3.5.9 Tính toán và lựa chọn ổ lăn. 47
3.5.10 Lựa chọn nối trục. 49
3.5.11 Tính toán và kiểm nghiệm độ bền then. 49
3.6 Tính toán vít tải cấp liệu. 51
3.6.1 Tính toán vít tải52
3.6.2 Lựa chọn ổ lăn. 58
3.6.3 Tính toán và kiểm nghiệm độ bền then. 60
3.6.4 Lựa chọn nối trục. 60
CHƯƠNG IV THIẾT KẾ HỆ THỐNG LƯU THÔNG KHÔNG KHÍ. 62
4.1 Tính toán quạt hút62
4.2 Tính toán xyclon lọc bụi63
4.3 Tính toán bộ xử lí khí thải67
4.3.1 Bộ chuyển đổi xúc tác. 67
4.4 Buồng đốt cấp hai70
CHƯƠNG V TÍNH TOÁN HỆ THỐNG NHIỆT.. 72
5.1 Tính toán nhiệt của thùng rang. 72
5.1.1 Các thông số. 72
5.2 Nhiệt lượng cần thiết để gia nhiệt cho hạt cà phê. 72
5.3 Nhiệt lượng hao phí ra môi trường. 73
5.4 Nhiệt lượng tổn thất của toàn quá trình. 74
5.5 Tính toán điều kiện nhiệt độ thực tế. 75
5.6 Tính toán nhiệt buồng đốt cấp hai76
5.7 Trao đổi nhiệt và ẩm trong quá trình rang. 77
5.7.1 Lượng ẩm, lượng khô vật liệu. 77
5.7.2 Trao đổi nhiệt trong quá trình rang. 78
CHƯƠNG VI THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN.. 79
6.1 Tổng quan về mạch điện. 79
6.2 Lưu đồ giải thuật79
6.3 Lựa chọn các thiết bị80
6.3.1 Lựa chọn MCB.. 80
6.3.2 Lựa chọn Rơ le nhiệt81
6.3.3 Bộ điều khiển và cảm biến nhiệt độ. 82
6.3.4 Lựa chọn Contactor83
6.4 Sơ đồ mạch điện. 84
6.4.1 Mạch 3 pha. 84
6.4.2 Mạch 1 pha. 85
6.5 Nguyên lý hoạt động của máy. 85
6.6 Hiển thị nhiệt độ. 86
CHƯƠNG VII BẢO TRÌ VÀ VẬN HÀNH.. 88
7.1 Chế độ bôi trơn ổ lăn. 88
7.2 Vệ sinh thùng rang và thùng làm nguội88
7.3 Kiểm tra xyclo lọc bụi88
7.4 Kiểm tra điện trở nhiệt và solid state relay. 88
CHƯƠNG VIII KẾT LUẬN.. 89
8.1 Đánh giá ưu điểm tổng quan. 89
8.2 Nhược điểm cần khắc phục. 89
8.3 Kết luận. 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 91
DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1 Cấu tạo hạt cà phê. 2
Hình 1. 2 Quy trình sản xuất cà phê. 3
Hình 1. 3 Cấp độ rang của cà phê. 5
Hình 1. 4 Hạt cà phê chưa rang. 5
Hình 1. 5 Hạt cà phê ở 1300C.. 5
Hình 1. 6 Hạt cà phê ở 1600C.. 6
Hình 1. 7 Hạt cà phê ở 1700C.. 6
Hình 1. 8 Hạt cà phê ở 1900C.. 6
Hình 1. 9 Hạt cà phê ở 2000C.. 6
Hình 1. 10 Hạt cà phê ở 2050C.. 7
Hình 1. 11 Hạt cà phê ở 2150C.. 7
Hình 1. 12 Hạt cà phê ở 2200C.. 7
Hình 1. 13 Hạt cà phê ở 2250C.. 8
Hình 1. 14 Hạt cà phê ở 2300C.. 8
Hình 1. 15 Hạt cà phê ở 2350C.. 8
Hình 1. 16 Hạt cà phê ở 2400C.. 9
Hình 1. 17 Hạt cà phê ở 2450C.. 9
Hình 1. 18 Hạt cà phê ở 2500C.. 9
Hình 1. 19 Hạt cà phê bắt lửa. 10
Hình 1. 20 Biến đổi màu sắc của hạt cà phê tại các kiểu rang khác nhau. 10
Hình 1. 21 Rang cà phê bằng chảo. 10
Hình 1. 22 Thiết bị rang cà phê kiểu lồng cầu. 11
Hình 1. 23 Minh họa máy rang cà phê truyền nhiệt trực tiếp. 12
Hình 1. 24 Lồng rang 1 lớp (trái), lồng rang 2 lớp (phải).14
Hình 1. 25 Minh họa máy rang cà phê truyền nhiệt trực tiếp (trên) và gián tiếp (dưới).14
Hình 1. 26 Thiết bị rang kiểu tầng sôi15
Hình 2. 1 Máy rang tầng sôi và nguyên lý hoạt động. 17
Hình 2. 2 Máy dùng thùng rang gia nhiệt bằng khí nóng và nguyên lý hoạt động. 18
Hình 2. 3 Máy dùng thùng rang quay điện và nguyên lý hoạt động. 18
Hình 2. 4 Sơ đồ hệ thống máy rang. 20
Hình 2. 5 Sơ đồ nguyên lý của máy chọn thiết kế. 21
Hình 2. 6 Sơ đồ động. 22
Hình 3. 1 Cánh đảo thùng rang. 24
Hình 3. 2 Cánh đảo thùng làm mát25
Hình 3. 3 Động cơ thùng rang. 29
Hình 3. 4 Động cơ thùng làm nguội30
Hình 3. 5 Khối lượng bộ phận đảo trộn thùng rang. 32
Hình 3. 6 Sơ đồ phân bố lực. 33
Hình 3. 7 Biểu đồ nội lực. 34
Hình 3. 8 Sơ đồ tải trọng. 37
Hình 3. 9 Thông số ổ lăn thùng rang. 39
Hình 3. 10 Thông số thân ổ dạng mặt bích. 40
Hình 3. 11 Nối trục trục rang. 41
Hình 3. 12 Thiết kế đảm bảo di chuyển dọc trục ở nhiệt độ cao. 41
Hình 3. 13 Trọng lượng của cánh đảo làm nguội43
Hình 3. 14 Biểu đồ momen trục làm nguội44
Hình 3. 15 Sơ đồ tải trọng ổ lăn thùng làm nguội47
Hình 3. 16 Thông số ổ lăn trục làm nguội49
Hình 3. 17 Nối trục trục làm nguội49
Hình 3. 18 Thông số tiết diện then.50
Hình 3. 19 Trọng lượng trục hàn. 54
Hình 3. 20 Sơ đồ phân bố lực trục vít55
Hình 3. 21 Biểu đồ momen trục vít55
Hình 3. 22 Sơ đồ phân bố tải trọng trên ổ lăn trục vít59
Hình 3. 23 Nối trục vít tải61
Hình 4. 1 Thông số quạt hút62
Hình 4. 2 Biểu đồ lưu lượng - áp suất của quạt hút63
Hình 4. 3 Kích thước tương đối của một số loại xiclon. 64
Hình 4. 4 Toán đồ chọn xiclon. 65
Hình 4. 5 Sơ đồ cấu tạo xiclon kiểu thông dụng. 66
Hình 4. 6 Cấu tạo bộ chuyển đổi xúc tác. 68
Hình 4. 7 Kích thước bộ chuyển đổi xúc tác. 70
Hình 5. 1 Thông số đầu đốt75
Hình 6. 1 Kí hiệu dùng trong lưu đồ giải thuật79
Hình 6. 2 Lưu đồ giải thuật.80
Hình 6. 3 MCB động cơ 3 pha. 81
Hình 6. 4 MCB động cơ 1 pha. 81
Hình 6. 5 Bảng chọn Rơ le nhiệt82
Hình 6. 6 Bộ điều khiển nhiệt độ. 83
Hình 6. 7 Contactor 1 pha.84
Hình 6. 8 Contactor 3 pha.84
Hình 6. 9 Sơ đồ mạch điện các động cơ 3 pha. 85
Hình 6. 10 Sơ đồ mạch các thiết bị 1 pha.85
Hình 6. 11 Cấu tạo led 7 đoạn. 86
Hình 6. 12 Sơ đồ nối dây. 87
Hình 6. 13 Hiển thị màn hình. 87
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3. 1 Thông số then trục rang. 50
Bảng 3. 2 Thông số then trục làm nguội51
Bảng 3. 3 Thông số then trục vít60
CHƯƠNG I TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu
“Cà phê” - bắt nguồn từ từ tiếng pháp “café” - là một loại thức uống được ủ từ hạt cà phê rang, lấy từ quả của cây cà phê. Các giống của cây cà phê được bắt nguồn từ vùng nhiệt đới châu Phi và các vùng Madagascar, Comorus, Mauritius và Réunion trên Ấn Độ Dương. Cây cà phê hiện đã được trồng tại tổng cộng hơn 70 quốc gia trong đó có Việt Nam.
Cà phê có tính axit và có thể gây kích thích đối với người sử dụng do có chứa hàm lượng cafein. Cà phê lần đầu tiên được sử dụng bởi những người hồi giáo ở Aden sau đó lan truyền và phổ biến sớm nhất ở Thổ Nhĩ Kỳ. Cho đến ngày nay, cà phê đã trở thành lợi thức uống cực kì phổ biến với lượng tiêu thụ khổng lồ mỗi ngày.
1.2 Các loại cà phê
Ba dòng cây cà phê chính trên thế giới là:
- Coffea arabica (Cà phê Arabica) - cà phê chè, cà phê Blue Mountain
- Coffea canephora (Cà phê Robusta) - cà phê vối
- Coffea excelsa (Cà phê Liberia) - cà phê mít
Trong đó chỉ có cà phê Arabica và cà phê Robusta là hiện nay có giá trị thương mại, cây cà phê Liberia với đặc điểm rất chua hiện chỉ được trồng rất ít dùng làm hương liệu phối trộn nhằm tạo ra các vị đặc biệt.
Các giống Typica, cùng với người anh em Bourbon là một trong những loài cà phê Arabica quan trọng nhất về mặt văn hóa và di truyền của cây cà phê trên thế giới. Hành trình Typica bắt đầu từ năm 1670, khi những hạt giống đầu tiên ra khỏi Yemen được Baba Budan gửi đến Ấn Độ. Chúng đã tạo ra các đồn điền cà phê ở vùng Mysore được gọi là Malabar tại thời điểm đó. Cho đến những năm 1696 và 1699 người Hà Lan đã mang các hạt giống Typica từ bờ biển Malabar của Ấn Độ đến vùng thuộc địa Batavia (ngày nay là Jakarta, Indonesia) trồng chúng trên hòn đảo Java. Cà phê Typica có tiềm năng chất lượng rất cao và từng được dùng làm chuẩn mực để đánh giá hương vị các loại cà phê khác. Bản thân Typica lại là tập hợp của một loạt các giống con khác đa số nhờ vào đột biến tự nhiên mà có. Trong đó có Catimor là giống Arabica được trồng nhiều nhất tại Việt Nam, đặc biệt ở vùng cao nguyên Cầu Đất – Lâm Đồng do khả năng chống lại bệnh gỉ sắt.
Là loại cây thương mại quan trọng thứ hai của ngành công nghiệp cà phê, Robusta là loài cây bản địa của vùng cao nguyên Đông Phi. Do đặc tính chịu đựng với những điều kiện khắc nghiệt và sức sống mạnh mẽ của mình, cùng với những con thuyền của người châu Âu, cây cà phê Robusta đi đến Đông Nam Á sau biến cố bệnh gỉ sắt xảy ra với những loài cây Arabica trên khắp thế giới. Khác với Arabica, cây cà phê vối ưa sống ở vùng nhiệt đới, với độ cao chưa đến 800m. Lượng mưa trên 1000mm và nhiệt độ rơi vào từ 24 – 290C. Hạt cà phê Robusta nhỏ, hàm lượng axit và caffeine rất cao do đó đắng hơn Arabica nhưng cũng là lí do khiến do giải thích cho độ “mạnh” của cà phê Robusta.
1.3 Cấu tạo cà phê
Hình 1. 1Cấu tạo hạt cà phê
- Lớp vỏ quả: là lớp vỏ ngoài mền, có màu đỏ
- Lớp vỏ thịt: Lớp vỏ tiếp ngay sau lớp vỏ ngoài phần thịt quả. Lớp thịt này có vị ngọt vì chứa nhiều đường, trọng lượng của phần thịt này chiếm 42-45 % của quả cà phê chín
- Lớp nhớt: Lớp nhớt này có nhiệm vụ bảo vệ chính cho nhân, lớp này chiếm 20-23% trọng lượng của quả cà phê chín.
- Lớp vỏ trấu: Là lớp ngoài cùng của phần hạt.
- Lớp vỏ lụa: Vỏ lụa có màu trắng bạc sau khi phơi khô, nên còn được gọi là vỏ bạc. Lớp vỏ này rất mỏng và có thể được bóc ra khỏi nhân trong quá trình đánh bóng hạt.
- Nhân cà phê: Phần trong cùng và là quan trọng nhất của quả, chịu trách nhiệm tích lũy chất dinh dưỡng cho quá trình nảy mầm của phôi. Một quả cà phê thông thường có 2 nhân (cá biệt có 1 hoặc 3 nhân). Thành phần hóa học của nhân là vô cùng quan trọng vì đây được xem là tiền thân của các hương vị và mùi thơm sau này trong cà phê rang.
1.4 Quy trình sản xuất cà phê
Hình 1. 2 Quy trình sản xuất cà phê
1.4.1 Hệ thống rang trong quy trình sản xuất cà phê
Để có thể cho ra thành phẩm là cà phê bột hoặc cà phê rang xay thì cà phê nhân đều phải được trải qua công đoạn rang. Dưới tác động của nhiệt độ trong hệ thống rang, các biến đổi hóa-lý diễn ra sẽ tạo nên hương vị và màu sắc đặc trưng của cà phê thành phẩm. Ngoài ra, quá trình rang xảy ra ở nhiệt độ cao làm giảm độ ẩm của cà phê, tiêu diệt các vi sinh vật và ức chế các phản ứng hóa sinh gây ảnh hưởng đến sản phẩm.
1.5 Các biến đổi của hạt cà phê trong quá trình rang
1.5.1 Các biến đổi đặc trưng
Trong quá trình rang hạt cà phê xảy ra các biến đổi cả bên trong lẫn bên ngoài. Sau khi kết thúc quá trình rang, thể tích hạt cà phê có thể tăng từ 40-60%, mức độ này của cà phê Robusta là thấp hơn so với Arabica với cùng một mức độ rang. Hạt cà phê nhân có khối lượng riêng khoảng 1200 – 1300 kg/m3, mật độ khối khoảng 600 – 700 kg/m3.
Nhiệt độ của hạt cà phê dạo động mạnh trong vùng 170-2500C do các phản ứng nhiệt phân sinh ra bên trong hạt cà phê. Ở nhiệt độ 180-2200C, một lượng bóng khí sinh ra khiến hạt cà phê trở nên giòn và gia tăng từ 50-80% thể tích tùy thuộc vào giống, độ ẩm, tốc độ rang… Đây cũng là một chỉ tiêu đánh giá quan trọng đối với cà phê thương phẩm.
Trong quá trình rang, hàm lượng chất khô hòa tan thường tăng lên. Thông thường, hàm lượng chất khô hòa tan của cà phề Arabica sau khi rang xấp xỉ 30%, còn lượng chất khô của cà phê Robusta cao hơn 3-4% với cùng mức độ rang. Với mức độ như nhau, thời gian rang càng đủ ngắn thì hàm lượng chất khô hòa tan trong cà phê thành phẩm sẽ càng cao. Ngoài ra, sự thay đổi hàm lượng chất khô hòa tan còn phụ thuộc vào tốc độ rang và thiết bị rang.
Hình 1. 3 Cấp độ rang của cà phê
1.5.2 Các biến đổi chi tiết
Các thay đổi có thể quan sát thấy chính là yếu tố chủ yếu để người thợ đánh giá chế độ rang đã phù hợp hay chưa. Quá trình biến đổi của những yếu tố đó (màu sắc, kích cỡ, mùi hương, ...) theo nhiệt độ của thể được trình bày dưới đây:
|
Hình 1. 4 Hạt cà phê chưa rang |
Hạt cà phê nhân khi chưa rang:
Khi chưa rang, hạt cà phê hay còn gọi là cà phê nhân lúc này có màu xanh và hình dáng thường thấy ở các loại hạt họ đậu.
- 1300C – Bắt đầu chuyển màu:
Trống rang mất một khoảng thời gian để truyền nhiệt do đó mất một vài phút để có thể thấy được những thay đổi trên bề mặt.
- 1600C – Màu vàng nhạt:
Ở bên trong hạt cà phê không ngừng thoát ra dưới dạng hơi và không diễn ra quá trình giãn nở về thể tích hạt. Hạt cà phê lúc này rất ẩm ướt và có mùi cỏ khô.
- 1700C – Màu vàng đậm:
Nhiệt độ rang khiến cho màu sắc trở nên nâu hơn và nhanh chóng tạo ra các vân qua sát được. Mùi thơm của cà phê rang bắt đầu có thể ngửi thấy.
|
Hình 1. 7Hạt cà phê ở 1700C |
1900C – Màu nâu nhạt:
Vết nứt đầu tiên đã dần hình thành. Sự giãn nở của hạt là có thể thấy được và đường tách ở giữa hạt dần mở rộng. Một ít vỏ trấu còn sót lại và vỏ lụa tách ra khỏi hạt.
|
Hình 1. 8Hạt cà phê ở 1900C |
2000C – Toàn bộ hạt chuyển sang nâu:
Hạt cà phê đổi sang màu nâu gần như toàn bộ và khá đậm màu. Hiện tượng một phần là kết quả của sự biến tính của gluco, tuy nhiên phần lớn là do phản ứng Maillard
|
Hình 1. 9Hạt cà phê ở 2000C |
- 2050C – Hạt bắt đầu nứt lần 1:
Âm thanh gọi là tiếng nứt của hạt đã có thể nghe được và khá tương tự với tiếng nổ của bỏng ngô. Lúc này nhiệt bên trong hạt rơi vào khoảng 1800C.
|
Hình 1. 10Hạt cà phê ở 2050C |
2150C – Quá trình nứt lần 1 đang diễn ra:
|
Hình 1. 11Hạt cà phê ở 2150C
|
Vết nứt liên tục mở rộng và màu của bề mặt hạt vẫn còn lốm đốm và không đồng đều. Hạt cà phê bắt đầu giãn nở mạnh về thể tích và biểu hiện rất rõ các vết nứt. Lượng vỏ lụa gần như còn lại rất ít. Mặc dù đây là kết quả của phản ứng toả nhiệt nhưng sau đó sẽ nhanh chóng chuyển thành thu nhiệt.
- 2200C – Kết thúc nứt lần 1:
|
Hình 1. 12Hạt cà phê ở 2200C |
Được xem như là mốc nhiệt độ của rang City, vì vậy nếu lựa chọn rang City, ngay sau khi kết thúc nứt lần 1 thì quá trình rang sẽ được ngưng lại, hạt cà phê sau rang được làm nguội nhanh.
- 2250C – Rang City+:
|
Hình 1. 13ạt cà phê ở 2250C |
Rang City+ tức là hạt cà phê đã trải qua nứt lần 1 hoàn toàn và bề mặt của hạt lúc này trở nên dần đều màu. Sự thay đổi về vẻ ngoài so với bước trước đó sẽ là không nhiều ngoài việc viền ngoài của hạt cà phê sẽ trở nên mềm hơn. Thời gian giữa lúc này cho đến nứt lần 2 rất ngắn, chỉ khoảng 15-30s.
- 2300C – Full City – chuẩn bị nứt lần 2:
Ở điểm này một ít dầu sẽ nhìn thấy được trên bề mặt hạt và hạt trở nên mềm hơn. Việc dự đoán thời điểm diễn ra nứt lần 2 sẽ khó hơn so với nứt lần 1 bởi tính chất của lần nứt này là do bẻ gãy kết cấu xen-lu-lô.
|
Hình 1. 14Hạt cà phê ở 2300C |
|
Hình 1. 15Hạt cà phê ở 2350C |
2350C – Hạt bắt đầu nứt lần 2:
Tiếp tục rang sau Full City để hạt thêm sậm màu thì bắt đầu vào quá trình nứt lần 2. Tiếng nứt có thể được nghe thấy rất rõ và quá trình nứt có thể tiếp diễn nhờ vào nhiệt độ của hạt thậm chí sau khi ngừng gia nhiệt. Vì vậy nếu muốn ngừng tại đây cần phải làm nguội thật nhanh chóng.
|
Hình 1. 16Hạt cà phê ở 2400C |
2400C – Rang Vienna-Light French:
Giai đoạn Vienna (còn được gọi là Continental) đến giai đoạn Light French là lúc mà các tính chất nguyên bản của hạt được thay thế bằng những tính mới do rang sinh ra. Cà phê rang tối có xu hướng hương vị giống nhau.
|
Hình 1. 17Hạt cà phê ở 2450C |
2450C – Rang Full French:
Đường bên trong hạt bị caramel hóa mạnh và biến tính, cấu trúc gỗ của hạt bị carbon hóa dẫn đến hạt có xu hướng nở rộng và mất dần khối lượng, kết quả của việc các chất thơm, dầu và chất rắn hòa tan bị đốt cháy. Thường thì chế độ rang tối nhất này chỉ diễn ra trong vòng 30s sau Vienna.
|
Hình 1. 18Hạt cà phê ở 2500C |
2500C – Carbon hóa hoàn toàn:
Lúc này hạt cà phê trên 25% đã hóa thành tro và than.
|
Hình 1. 19Hạt cà phê bắt lửa |
2600C – Hạt bắt lửa.
Hạt cà phê xảy ra quá trình cháy.
1.1.
|
Hình 1. 20Biến đổi màu sắc của hạt cà phê tại các kiểu rang khác nhau
|
1.6 Các phương pháp rang
Hình 1. 21Rang cà phê bằng chảo
1.6.1 Rang bằng chảo
Đây là phương pháp rang lâu đời nhất, được con người sử dụng từ khi biết đến cà phê. Với dụng cụ là chảo, thìa, vv, hạt cà phê được gia nhiệt trực tiếp bằng ngọn lửa từ gas, củi. Rang cà phê bằng chảo có lẽ là phương pháp được nhiều người lựa chọn tìm hiểu nhất. Không như những hạt ngũ cốc khác như: đậu tương, đậu phộng, gạo, …. hạt cà phê đòi hỏi người rang phải có kinh nghiệm và biết cách căn thời gian, quan sát sự chuyển đổi hương thơm, màu sắc thì mới tạo ra được những sản phẩm chất lượng.
Nguyên lý: Hạt cà phê nhân được đổ vào chảo rang đang nóng trên ngọn lửa lớn, gia giảm các hương liệu theo ý muốn như bột đậu, bơ, bắp, … đảo đều tay cho cà phê chín đều. Sau một thời gian khi cà phê đã đạt độ chín và dậy mùi thì tắt bếp để cà phê nguội ngoài không khí tự nhiên.
Ưu điểm:
- Dễ thực hiện.
- Chi phí thấp.
- Không yêu cầu trang thiết bị.
Nhược điểm:
- Số lượng cà phê rang ít.
- Hạt chín không đều.
- Vỏ lụa không tách hết.
- Hương vị dễ bị mất.
- Khó đạt được các chế độ rang yêu cầu nhiệt cao.
- Làm nguội chậm và không đều.
- Phụ thuộc kinh nghiệm người rang.
1.6.2
Rang bằng thiết bị lồng cầu
|
Hình 1. 22Thiết bị rang cà phê kiểu lồng cầu |
Xuất hiện sớm cùng với văn hóa cà phê trên thế giới, thiết bị lồng cầu được biết đến là một công cụ lâu đời và vẫn còn hiệu quả khi được sử dụng bởi những người thợ theo đuổi phong cách truyền thống hoặc áp dụng một phần sức máy ở các cơ sở sản xuất quy mô nhỏ.
Nguyên lí: Lồng cầu có dạng hình cầu bằng kim loại, được thiết kế có cửa mở để cho cà phê nhân vào bên trong và lấy cà phê đã rang ra bên ngoài. Lồng cầu được xoay quanh trục ngang và được gia nhiệt từ dưới. Cà phê sau rang được để tự làm nguội ngoài không khí.
Ưu điểm:
- Thiết bị đơn giản, dễ chế tạo.
- Giá thành rẻ hơn so với các loại máy hiện đại.
- Khối lượng mẻ rang lớn hơn rang bằng chảo.
Nhược điểm:
- Dễ cháy xém.
- Vỏ lụa không tách ra hoặc bị trộn lẫn.
- Hạt dễ bị biến tính do làm nguội chậm.
- Khói bụi, ô nhiễm.
- Không có thiết bị để đánh giá nhiệt độ trong lồng rang.
1.7 Các phương pháp rang cà phê bằng máy
1.7.1 Máy rang truyền nhiệt trực tiếp
Hình 1. 23 Minh họa máy rang cà phê truyền nhiệt trực tiếp
Là loại máy rang cafe được sử dụng rộng rãi nhất thế giới, bởi tính thuận tiện và phù hợp nhiều nhu cầu.
Nguyên lý: Cà phê được cho vào phễu cấp liệu. Thùng rang được gia nhiệt nhờ khí hoặc điện trở trực tiếp. Sau khi nhiệt độ bên trong thùng rang đạt mức yêu cầu, cà phê được đổ vào thùng rang, thùng rang đều liên tục. Khói bụi và vỏ lụa được bơm hút ra ngoài hoặc đi vào bộ phận lọc bụi. Cà phê sau khi làm chín được đổ ra ngoài khay làm nguội nhanh nhờ quạt.
Ưu điểm:
- Khối lượng cho một lần rang đa dạng có thể rất lớn
- Giá thành rẻ hơn so với các loại máy hiện đại.
- Vận hành ổn địng,tự động, dễ bảo trì.
- Làm nguội tốt và đồng đều.
Nhược điểm:
- Nhiệt truyền trực tiếp nên dễ bị lớp trong không chín đều.
Để những hạt cà phê hấp thụ nhiệt ổn định hơn thì những máy rang hiện nay ngày càng đuợc cải tiến hơn, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu thêm một loại lồng trống rang hai lớp có khoảng hở chừng vài milimet, hay còn được gọi là lồng cách nhiệt. Lớp lồng phía ngoài thì tiếp xúc trực tiếp với lửa, còn lớp lồng phía trong sẽvluôn có nhiệt độ ổn định và phân bố đều lồng. Nên các hạt cà phê khi rang ở lồng hai lớp sẽ hạn chế được nhiều lỗi khi rang như: cháy bề mặt cà phê, chín bên ngoài nhưng bên trong chưa chín…v.v
Hình 1. 24 Lồng rang 1 lớp (trái), lồng rang 2 lớp (phải).
1.7.2 Máy rang truyền nhiệt kiểu gián tiếp
Hình 1. 25 Minh họa máy rang cà phê truyền nhiệt trực tiếp (trên) và gián tiếp (dưới).
Là loại máy rang cà phê công nghệ cao, thường được sử dụng bởi các thương hiệu máy rang cafe lớn trên thế giới.
Nguyên lý: Nguyên lý hoạt động của máy rang truyền nhiệt trực tiếp tương tự như máy rang truyền nhiệt gián tiếp. Nhưng nguồn nhiệt từ lò đốt sẽ được ngăn cách, không cho truyền nhiệt trực tiếp lên lồng rang, vì vậy mà lồng rang chỉ được gia nhiệt nhờ hơi nóng từ lò đốt.
Ưu điểm:
- Cà phê được rang đồng đều, chất lượng mẻ rang được tối ưu
- Tận dụng được nguồn nhiệt thoát ra khi rang
- Làm nguội tốt và đồng đều.
Nhược điểm:
- Thời gian hoàn thành mẻ lâu hơn so với máy trực tiếp.
So với máy rang truyền nhiệt kiểu trực tiếp ưu điểm vượt trội của công nghệ rang cà phê này là nhiệt được truyền gián tiếp vào lồng rang (truyền khí nóng), do đó lượng nhiệt được truyền tới hạt cà phê rất đồng đều, từ đó cho chất lượng mẻ rang được tối ưu. Nhưng đó cũng chính là nhược điểm của máy khi năng lượng được sử dụng để rang cà phê là khí nóng nên thời gian hoàn thành một mẻ cùng khối sẽ lâu hơn so với máy truyền nhiệt kiểu trực tiếp.
1.7.3
Máy rang sử dụng nguyên lý tầng sôi
Hình 1. 26 Thiết bị rang kiểu tầng sôi
Thay vì sử dụng lồng trống hình trụ tròn kiểu truyền thống, loại máy rang này sử dụng dòng khí nóng tốc độ cao để đảo trộn cà phê. Thiết kế máy này nhỏ gọn hơn các dòng máy rang khác
Nguyên lý: Cà phê được cấp vào phễu. Khí nóng được quạt hút thổi từ dưới lên đẩy hạt cà phê bay lơ lửng trong tháp rang. Hạt cà phê được gia nhiệt nhờ vào tiếp xúc trực tiếp với khí nóng. Khí và vỏ lụa sau đó theo đường thoát trên đỉnh tháp thoát ra ngoài hoặc đi vào hệ thống lọc bụi.
Ưu điểm:
- Khối lượng rang lớn.
- Hạt cà phê chín đều.
- Vỏ lụa được tách sạch.
Nhược điểm:
- Khó điều khiển dòng khí.
- Đồ thị nhiệt rang điều chỉnh phức tạp.
- Đắt tiền khi sử dụng cho quy mô lớn.
- Cần đi kèm thiết bị xử lý khí thải.
CHƯƠNG II THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY
2.1 Nguyên lý một số loại thiết bị phổ biến
2.1.1 Thiết bị rang sử dụng nguyên lý tầng sôi
Hình 2. 1 Máy rang tầng sôi và nguyên lý hoạt động
Cà phê được cấp vào máy qua phễu cấp liệu vào buồng rang. Khí nóng từ buồng đốt thổi trực tiếp vào buồng rang dưới vận tốc cao khiến hạt cà phê bay lơ lửng và chín đều. Bụi và vỏ lụa theo đường ống đến silo và thải ra ngoài.
Nguyên lý sấy tầng sôi được áp dụng để xử lý các loại hạt, dạng bột nhão, dạng dung dịch. Các hệ thống sấy tầng sôi có cấu tạo đơn giản, làm việc liên tục hoặc gián đoạn, cường độ sấy cao hơn máy sấy dạng thùng rang, thời gian sấy ngắn, sản phẩm khô đều, chất lượng tốt. Tuy nhiên phải tạo ra tác nhân sấy đủ lớn để duy trì quá trình sôi làm tăng chi phí chế tạo. Tác nhân sấy phải được cấp đều trên diện tích lưới để quá trình sôi không bị phá vỡ. Có cơ cấu tránh hạt liên kết, lọt vào lỗ lưới cũng phá vỡ quá trình sôi.
2.1.2 Thiết bị rang lồng quay gián đoạn gia nhiệt bằng khí nóng
Hình 2. 2 Máy dùng thùng rang gia nhiệt bằng khí nóng và nguyên lý hoạt động
Cà phê được cấp vào máy qua phễu cấp liệu vào buồng rang. Thùng rang quay đều kết hợp với các cánh đảo trong thùng làm cà phê được đảo đều. Khí gas được đốt cháy tại buồng đốt và khí nóng đi vào buồng rang làm chín hạt cà phê. Khí sau rang và bụi theo đường ống đến silo lọc bụi. Khí dư được thải ra ngoài qua cửa xả. Cà phê rang xong được đổ vào khay làm mát.
2.1.3 Thiết bị rang lồng quay gián đoạn gia nhiệt bằng điện trở
Hình 2. 3 Máy dùng thùng rang quay điện và nguyên lý hoạt động
Cà phê được cấp vào máy qua phễu cấp liệu vào buồng rang. Thùng rang quay đều kết hợp với các cánh đảo trong thùng làm cà phê được đảo đều. Buồng rang được làm nóng theo phương pháp truyền nhiệt bằng cách đốt nóng các điện trở gắn phía dưới. Khí sau rang và bụi theo đường ống đến silo lọc bụi. Khí dư được thải ra ngoài qua cửa xả. Cà phê rang xong được đổ vào khay làm mát.
2.2 Giới thiệu thống rang cà phê sử dụng nguyên lý thùng rang dùng khí nóng
Quá trình rang cà phê là một quá trình hóa học biến hạt cà phê xanh thành hạt cà phê có thể được nghiền, ủ và tiêu thụ với một mùi thơm và hương vị phức tạp. Đối với máy rang cà phê gián đoạn, quá trình rang diễn ra theo chu kỳ khi hạt cà phê xanh đi vào trống rang và được làm nóng đến nhiệt độ mong muốn 200-250°C trước khi được chuyển sang buồng làm mát. Một chu kỳ kéo dài 10 đến 20 phút tùy thuộc vào mức độ rang mong muốn. Trống rang là một buồng quay ngang quay với tốc độ xác định để tạo ra sự pha trộn mà không làm cho hạt dính vào thành trống do lực ly tâm. Không khí nóng được tạo ra trong buồng đốt, thường được cung cấp bởi khí đốt và đi qua trống rang, làm nóng hạt đến nhiệt độ mong muốn. Giai đoạn đầu tiên của việc rang cà phê liên quan đến sự bay hơi nước từ hạt khi nó đạt đến nhiệt độ từ 160°C đến 190°C. Sau khi loại bỏ nước, hạt đậu trải qua các phản ứng hóa học trong quá trình nhiệt phân, tạo cho cà phê hương vị cuối cùng và mùi thơm ở nhiệt độ 200-250°C. Trong quá trình nhiệt phân, cũng có sự giải phóng các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, carbon dioxide và các hạt vật chất từ vỏ trấu rang được thêm vào khí lò trong trống rang. Khi có quá nhiều chất bay hơi được giải phóng khỏi hạt ở nhiệt độ cao hơn 200°C, mùi thơm của hạt có thể giảm và sản phẩm tạo ra trở nên đắng và không mong muốn. Vì lý do này, độ dốc nhiệt độ trong quá trình phải không đổi để đạt được sự gia nhiệt đồng đều và từ từ của hạt từ bên ngoài đến trung tâm. Điều này được thực hiện bằng buồng đốt điều biến có thể điều khiển nhiệt lượng tỏa vào trống rang. Sau đó, chúng được chuyển đến buồng làm mát, nơi chúng được khuấy liên tục khi không khí mát thổi vào chúng để đưa nhiệt độ xuống điều kiện không khí xung quanh. Một phần khí thải được đưa trở lại buồng đốt ở 180-230°C thông qua bộ trao đổi nhiệt để tận dụng một phần nhiệt thải và tăng hiệu suất của đầu đốt. Đối với phần còn lại của khí thải rời khỏi trống rang, phải loại bỏ vỏ trấu, bụi li ti và các loại khí CO, NOx,… trước khi thải ra môi trường để tuân thủ các tiêu chuẩn chất lượng không khí. Khí thải đi qua một silo để loại bỏ các hạt và sau đó là tháp đốt để đốt các chất thải được thải ra từ hạt trong giai đoạn
rang, biến toàn bộ chúng thành các khí thải được như CO2 và cuối cùng được thải qua ống khói vào khí quyển ở nhiệt độ từ 300-350°C.
|
Hình 2. 4 Sơ đồ hệ thống máy rang |
2.3 Lựa chọn phương án thiết kế
2.3.1 Các yêu cầu để lựa chọn phương án thiết kế
Yêu cầu về sản phẩm:
- Hạt cà phê sau rang phải đạt chất lượng cao: chín đều, không cháy xém, lớp vỏ lụa của nhân được tách sạch, mùi không bị mất nhiều, không lẫn tạp chất hình thành trong quá trình rang.
Yêu cầu về kinh tế:
- Chi phí sản xuất không quá cao,phù hợp với công suất máy
Yêu cầu của người sử dụng:
- Đạt được năng suất 120 kg/mẻ.
- Làm việc tốt, ít hỏng hóc, dễ sửa chữa.
- An toàn cho người sử dụng.
- Dễ vận hành, không yêu cầu nhân công trình độ cao.
- Có tính thẩm mĩ, phù hợp cho không gian cửa hang.
- Không phát sinh khói bụi gây ảnh hưởng đến khách hàng và dân cư.
- Có khả năng kiểm soát nhiệt độ tự động và theo dõi liên tục
Các yêu này sẽ đóng vai trò là cơ sở để lựa chọn ra sơ đồ động của máy rang cà phê. Máy được thiết kế sẽ dựa trên nguyên lý thùng quay, để đáp ứng quy mô của một cửa hàng và tính di động máy sẽ sử dụng nguồn năng lượng là điện, tích hợp tháp đốt, silo, lọc bụi,… nhằm loại bỏ yêu cầu lắp đặt đường ống và sự kết nối đến các thiết bị ngoài . Thiết kế sẽ được gói gọn trong một khối hình hộp để đảm bảo tính thẩm mĩ.
2.3.2 Phương án được lựa chọn và sơ đồ nguyên lý
|
Hình 2. 5Sơ đồ nguyên lý của máy chọn thiết kế |
Từ các yêu cầu đặt ra, ta lựa chọn nguyên lý của máy rang sử dụng điện nhằm đảm bảo yếu tố tiện dụng cho người sử dụng, tích hợp thêm các chức năng để xử lý khí thải cùng với khả năng tái sử dụng nhiệt được rút gọn từ sơ đồ hệ thống khí nóng hình 2.4. Máy thiết kế theo nguyên lý đã chọn có thể sử dụng ngay sau khi mua về mà không cần thiết lập các hệ thống dẫn ngoài như hệ thống khí đốt, hệ thống after burner, hệ thống ống hút khói, hút mùi như trước đồng thời tiết kiệm năng lượng hơn.
2.3.3 Sơ đồ động
|
Hình 2. 6Sơ đồ động |
Vị trí lắp đặt tương đối của hệ thống cơ khí được thể hiện trên sơ đồ động hình 2.6. Các đặc tính kỹ thuật của máy được tính toán trong chương 3.
CHƯƠNG III TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY
3.1 Tính toán kích thước các bộ phận
3.1.1 Thùng rang
Khối lượng hạt cà phê rang trong một mẻ: G = 120kg
Khối lượng riêng của mẻ cà phê (Bulk Density):
Mức độ điền đầy của cà phê trong thùng rang: 0.4
Thể tích sơ bộ của thùng rang:
Bù 5% cho phần thể tích của trục và cánh trộn trong thùng, khi đó:
Lựa chọn trước tỉ số thích hợp giữa chiều dài L và đường kính D của thùng trộn là 2.Với L=2D ta được
Chọn Tỉ số trong các máy thực phẩm thùng quay thường chọn nhỏ hơn 10. Kiểm tra lại:
Tính lại thể tích:
Như vậy thùng rang có đường kính 1,35 m, chiều dài 0,65 m thỏa mãn các điều kiện đặt ra.
3.1.2 Thùng làm nguội
Thùng làm nguội có thể tích tương đương với thùng rang để có thể chứa được lượng cà phê trong trường hợp đầy nhất và quá trình làm nguội diễn ra nhanh chóng. Chọn đường kính khay làm nguội là , chiều cao tối thiểu của khay để chứa được toàn bộ lượng cà phê sau khi rang:
Trong quá trình đảo làm nguội, để tránh hiện tượng rơi vãi hạt cà phê cần tăng chiều cao của thùng làm nguội lớn hơn chiều cao tối thiểu lên 30%.
Hn = Hn’.1,5 = 0,238 (m)
Do đó chọn 0,3 m
3.1.3 Tính toán thiết kế cánh đảo thùng rang
Thùng rang sử dụng các cánh trộn xoắn và đảo ngược chiều, trục nằm ngang song song với thùng. Đường kính mút của cánh trộn lấy từ 0,95 đến 0,98 lần đường kính trong thùng rang:
Chọn .
Để đảm bảo các cánh không va chạm với nắp thùng khi quay, chiều dài của các cánh được lựa chọn để giữ được khoảng cách đối với 2 nắp.
Thiết kế của cánh đảo thùng rang được trình bày trên hình 3.1.
3.1.4 Tính toán thiết kế cánh đảo thùng làm nguội
Các cánh đảo ở thùng làm mát được thiết kế để đảo đều mẻ hạt sau rang tạo ra khuếch tán nhiệt nhanh hơn để giúp cà phê giữ được mùi hương đặc trưng.
Thiết kế của cánh đảo thùng làm mát thể hiện trên hình 3.2.
Tính toán công suất
CHƯƠNG 1
CHƯƠNG 2
CHƯƠNG 3
3.1.
3.2 Tính toán công suất động cơ thùng rang
3.2.1 Tính toán thành phần lực cản đặt lên trục thùng rang
Các cánh đảo và xoắn có hình dạng tương tự với vít tải, do đó áp dụng công thứ 6-35 tài liệu [3] tính được số vòng quay trung bình của trục cánh trộn:
Chọn
Công suất của cánh trộn thùng làm nguội được xác định theo công thức:
N1 - công suất để thắng trở lực do vật gây ra theo phương vòng, kW.
N2 - công suất để khắc phục trở lực theo chiều trục, kW.
Công suất để khắc phục trở lực do vật liệu gây ra theo phương vòng được xác định theo công thức:
Trong đó:
– thành phần lực cản (do vật liệu tác dụng lên cánh thứ i) theo phương vòng, N;
– vận tốc vòng của cánh tại điểm đặt lực
Thành phần lực cản được xác định theo công thức:
Vận tốc vòng của cánh tại điểm đặt lực được tính theo công thức:
Công suất để khắc phục trở lực chiều trục của vật liệu được xác định theo
CHƯƠNG I BẢO TRÌ VÀ VẬN HÀNH
Nhằm đảm bảo khả năng vận hành ổn định và tránh đi các hỏng hóc, công tác bảo trì bảo dưỡng máy cần được duy trì thường xuyên. Những chi tiết, bộ phận gặp sự cố hay hỏng hóc cần phải được thay thế nhanh chóng. Trước khi khởi động máy cần kiểm tra kĩ để tránh những sự cố đáng tiếc có thể xảy ra.
1.1 Chế độ bôi trơn ổ lăn
Bôi trơn nhằm giảm mức độ ma sát giữa những chi tiết lăn, chống mòn, tạo điều kiện thoát nhiệt tốt, bảo vệ bề mặt của chi tiết không bị gỉ, sét, giảm tiếng ồn. Chọn mỡ bôi trơn cho ổ phải phù hợp với điều kiện nhiệt độ môi trường. Đối với hai ổ đũa côn ở thùng làm nguội, cần tháo ụ ổ lăn để tiến hành bôi trơn. Đối với cụm ổ lăn dạng gối, mỡ bôi trơn được bơm vào thông qua vú tra mỡ và đảm bảo bơm đến khi lấp đầy toàn bộ ụ.
Hoạt động bôi trơn cần tiến hành ít nhất 1 lần/năm.
1.2 Vệ sinh thùng rang và thùng làm nguội
Mục đích để làm thông thoáng lỗ thoát bụi, làm sạch khoang thùng để đảm bảo chất lượng vệ sinh cà phê.
Tuy nhiên việc làm sạch thùng rang liên quan đến việc tháo máy, do đó nên kết hợp với các lần thay thế ổ bi, hoặc sửa chữa.
1.3 Kiểm tra xyclo lọc bụi
Tháo hộp đựng bụi ra khỏi máy sau mỗi ngày sử dụng để đổ bụi ra ngoài, tránh làm ứ đọng bụi trong hộp đựng bụi gây ảnh hưởng đến hoạt động của xyclo.
Mặc dù được vận hành tự động, vẫn nên kiểm tra thường xuyên để đảm bảo van xả bụi trong xyclo vẫn hoạt động tốt.
1.4 Kiểm tra điện trở nhiệt và solid state relay
Điện trở nhiệt và solid state relay có tuổi thọ không cao nên phải kiểm tra để thay thế kịp thời.
CHƯƠNG II KẾT LUẬN
2.1 Đánh giá ưu điểm tổng quan
Đánh giá chủ quan từ phía sinh viên thực hiện, các thiết kế của máy đã đạt được yêu cầu ban đầu đề ra, phù hợp với mục tiêu khách hàng được hướng đến là những mô hình kinh doanh vừa và nhỏ, các hộ gia đình. Các chi tiết máy sử dụng đều là các chi tiết dễ chế tạo, đối với các chi tiết tiêu chuẩn có thể dễ dàng đặt mua từ các nhà sản xuất. Đảm bảo trên lý thuyết rằng quá trình rang sẽ không xảy ra quá nhiệt, hạt được chín đề. Sử dụng đốt nóng bằng điện trở gia nhiệt giúp gọn gàng tối ưu, an toàn hơn đối với các mô hình kinh doanh.
Quá trình làm nguội được đánh giá là hiệu quả, nhanh chóng nhờ kết hợp quạt hút và cánh đảo thùng làm nguội tạo ra dòng đối lưu nhanh và rộng.
Hệ thống lọc bụi: xử dụng xylon lọc bụi một công nghệ khá phổ biến hiện nay, với hệ thống này ta có thể hút được phần khói bụi, vỏ trấu vào xyclon, đảm bảo giữ được môi trường thân thiện, không khói bụi.
2.2 Nhược điểm cần khắc phục
Cải thiện năng suất máy cao hơn, máy có thể làm việc được liên tục.
Quá trình tự động chưa cao, cần phụ thuộc vào tay nghề. Cải tiến và tích hợp hệ thống điều khiển PLC vào quá trình rang để có thể dễ dàng kiểm soát thông qua các biểu đồ hiển thị.
Gia tăng nhiệt độ của trục và các ổ bi trong quá trình rang sẽ làm tăng ma sát, vì thế sẽ làm giảm tuổi thọ ổ bi.
2.3 Kết luận
Với việc nghiên cứu và thiết kế đề tài “Thiết kế máy rang cà phê 120kg/mẻ” cùng với sự hướng dẫn nhiệt tình và nghiêm khắc của thầy Phan Hoàng Long đã mang lại nhiều kinh nghiệm giúp em hiểu rõ hơn về công việc quy trình thiết kế của một người kĩ sư.
Chiếc máy rang này sau khi được hoàn thành có thể sẽ giúp ích cho các nhà máy chế biến, công xưởng nhỏ muốn tạo ra được loại cà phê cho riêng đặc trưng.
